傅成志，劉衍文

(中建鐵路建設(shè)有限公司，北京 100053)

CRTSⅠ型軌道板在板場內(nèi)預(yù)制完成后將轉(zhuǎn)移到線路上鋪設(shè)。鋪設(shè)后的軌道板板面與空氣充分接觸，板底密貼CA砂漿。板面和板底與外界的接觸面和陽光的照射等存在差異，使板內(nèi)形成溫差，產(chǎn)生應(yīng)力，軌道板發(fā)生各個方向的變形，引起軌道板發(fā)生翹曲變形。

軌道板翹曲達(dá)到一定程度后將會形成離縫。離縫的出現(xiàn)使得列車運行時產(chǎn)生的外力首先消除軌道板的翹曲變形，然后才能作用到CA砂漿層。若離縫較長，一直延伸到承軌臺下，鋼軌將會隨著列車運行產(chǎn)生變形，影響軌道的平順性，進(jìn)而影響列車運行的平穩(wěn)與舒適性。通過對軌道板翹曲、離縫進(jìn)行觀測試驗，對軌道板翹曲變形、離縫與環(huán)境溫度和溫差的相互關(guān)系進(jìn)行分析，總結(jié)出軌道板翹曲變形及離縫的規(guī)律，提出減少無砟軌道板裂紋、翹曲、離縫現(xiàn)象的注意事項和建議措施，為無砟軌道板的預(yù)制、鋪設(shè)提供參考。

1 軌道結(jié)構(gòu)概況

1.1 軌道板結(jié)構(gòu)介紹

客運專線CRTSⅠ型無砟軌道板是C60高性能鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其標(biāo)準(zhǔn)板外形尺寸為:寬2 400 mm ×高200 mm ×長(4 962、4 856、3 685)mm。軌道板使用雙列式承軌臺，承軌臺高20 mm。以施工中使用最多的一種軌道板P4962軌道板為例示意軌道板的結(jié)構(gòu)尺寸，見圖1。

1.2 軌道結(jié)構(gòu)介紹

哈大客專全線軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、CRTSⅠ型軌道板、CA砂漿和混凝土底座組成。軌道板下為50 mm厚的CA砂漿，CA砂漿下設(shè)C40混凝土底座，橋上底座厚度為200 mm，路基上底座厚度為300 mm。橋上軌道結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 P4962軌道板結(jié)構(gòu)(單位:mm)

圖2 橋上軌道結(jié)構(gòu)(單位:mm)

2 軌道板翹曲、離縫的說明

由于條件有限，且鑒于軌道板垂直方向變形的重要性，僅對軌道板垂直方向的翹曲變形進(jìn)行研究，本文所指的位移均指在垂直方向發(fā)生的翹曲變形的大小。

離縫是指在完成CA砂漿灌注后，軌道板底面與CA砂漿表層的縫隙用1 mm厚度塞尺檢測插入深度大于5 cm的縫隙。軌道板離縫的主要特征有2點:一是軌道板板底與CA砂漿表層結(jié)合不密實，存在1 mm及以上的縫隙;二是該縫隙長度大于5 cm。

離縫的產(chǎn)生是由于軌道板垂直方向翹曲達(dá)到一定程度或是CA砂漿灌注不飽滿引起的。

3 軌道板翹曲、離縫試驗

3.1 軌道板翹曲、離縫的原因

在剛完成CA砂漿灌注后軌道板底面與CA砂漿之間無縫隙。經(jīng)過一段時間再檢查，軌道板與CA砂漿填充層之間出現(xiàn)離縫現(xiàn)象。離縫集中分布在板的四角，極少數(shù)會延伸到板端第1個承軌臺下。

對軌道板離縫原因進(jìn)行初步分析，存在2種可能:CA砂漿體積發(fā)生不均勻變化和軌道板自身變形。

(1)CA砂漿體積變化原因。CA砂漿體積的不均勻變化會導(dǎo)致CA砂漿層表面部分地方凸起或凹陷，引起軌道板底與CA砂漿層結(jié)合不密實，出現(xiàn)離縫。為了研究CA砂漿的性能，對10組CA砂漿試件進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)在24 h后CA砂漿膨脹率約等于0，且體積變化均勻。因此可排除是CA砂漿膨脹或者收縮原因引起的離縫。

(2)軌道板自身變形。根據(jù)以往對混凝土板式結(jié)構(gòu)的研究，可知混凝土板在存在溫差的情況下會產(chǎn)生變形。鋪設(shè)完成的軌道板板面與板底溫度存在差異，在軌道板內(nèi)出現(xiàn)溫差。板內(nèi)溫差的出現(xiàn)，使軌道板產(chǎn)生翹曲變形甚至離縫。因此本文將溫度及溫差做為軌道板翹曲、離縫試驗的重點研究對象。

3.2 翹曲、離縫試驗條件

為了研究外部環(huán)境溫度對軌道板變形產(chǎn)生的影響，從2010年9月11日凌晨2點到次日凌晨2點對已灌注的3孔箱梁上的21塊軌道板(其中15塊P4962，6塊P3685)進(jìn)行翹曲、離縫觀測，天氣為陰天。

本次試驗每2 h記錄1次，主要觀測以下內(nèi)容。(1)軌道板板中及板端翹曲變形。用百分表對板四角及板中的變形大小進(jìn)行觀測。(2)板面和板底溫度。對觀測點的板底和板面溫度用紅外線溫度測量儀進(jìn)行測量。板面大于板底溫度稱為正溫差，板面低于板底溫度稱為負(fù)溫差。(3)環(huán)境溫度。環(huán)境溫度見表1。

表1 2010年9月11日環(huán)境溫度 ℃

3.3 翹曲、離縫試驗數(shù)據(jù)采集

經(jīng)過對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到當(dāng)天的環(huán)境溫度與離縫的關(guān)系如圖3所示，板面板底溫差與翹曲變形位移相對關(guān)系如圖4所示。

圖3 溫度與離縫情況

圖4 軌道板溫差與位移情況

3.4 試驗數(shù)據(jù)分析

3.4.1 溫度與溫差分析

(1)環(huán)境溫度變化情況。該天環(huán)境溫度在14點的時候達(dá)到最高，為31℃;在凌晨4點的時候，溫度最低，為14℃;該天平均氣溫為21.8℃。在5點到14點溫度處于上升趨勢，在14點到22點，溫度處于下降趨勢，其余時間溫度較為穩(wěn)定，波動幅度不大。

(2)溫差變化情況。白天和晚上存在不同的溫差，最大正溫差在12點出現(xiàn)，為4℃;最大負(fù)溫差在凌晨4點的時候出現(xiàn)，為2.5℃。軌道板的正溫差在6點到16點時出現(xiàn);負(fù)溫差在2點到6點和16點后出現(xiàn)。需要說明的是，由于條件所限，所記錄的溫度并不能完全反應(yīng)板底的實際溫度，因此所計算出的溫差只能代表板外部溫度與板內(nèi)部溫度的成正相關(guān)的關(guān)系。

(3)溫度與溫差的關(guān)系。板面直接暴露于大氣當(dāng)中，溫度變化較板底敏感;板底密貼CA砂漿，處于陰面，溫度變化較板面較為遲緩。對溫度的靈敏性不同將會產(chǎn)生溫差。溫度變化越快，溫差也越大。

3.4.2 翹曲變形觀測情況

(1)翹曲的范圍和大小。軌道板四角翹曲范圍基本上為板端到第1個承軌臺之間，極少數(shù)會出現(xiàn)在承軌臺下，其大小為0～1.2 mm。

(2)每塊軌道板翹曲變形的規(guī)律基本相同，呈反復(fù)“下沉—上翹—下沉”趨勢。

(3)在6點到18點時間段(可大致概括為白天)，以起始觀測位置為基準(zhǔn)，軌道板四角向下發(fā)生位移，存在著向下的變形。

(4)在2點到6點、18點到第二天凌晨2點(可大致概括為夜晚)，以起始的位置為基準(zhǔn)，軌道板基本上沒有位移，或位移較小。

3.4.3 離縫觀測情況

(1)離縫在早上6點的時候數(shù)量最多，在13點最少。夜晚溫度較為穩(wěn)定，溫差較小，離縫的數(shù)量相對比較穩(wěn)定;白天溫度的變化幅度較大，溫差也較大，離縫數(shù)量變化較大。離縫從5點到11點呈減少趨勢，從11點到19點呈增多趨勢，其余時間離縫數(shù)量較為穩(wěn)定。

(2)離縫出現(xiàn)范圍。離縫出現(xiàn)大多在軌道板四角出現(xiàn)，有極少數(shù)情況會延伸到距離板端20 cm的第1個承軌臺處，軌道板中不會出現(xiàn)軌道板離縫現(xiàn)象。

(3)單塊軌道板離縫出現(xiàn)數(shù)量:軌道板四個角不是同時出現(xiàn)離縫，存在可能只有某一個或幾個角離縫，其余角不離縫的情況。

4 短鋼軌約束翹曲試驗

在實際施工中，在軌道板上還要鋪設(shè)長鋼軌。2010年9月11日為鋪設(shè)完成后無鋼軌約束狀態(tài)下進(jìn)行觀測，為了模擬較真實的狀態(tài)，同時也對試驗結(jié)果進(jìn)一步驗證，于9月12日凌晨對3孔梁鋪設(shè)100 m鋼軌，并在扣件進(jìn)行鎖定狀態(tài)下對相同的軌道板進(jìn)行2個周期的觀測。鋼軌由若干短鋼軌組成，接頭部分用螺栓進(jìn)行連接。

4.1 試驗條件

2010年9月12日陰轉(zhuǎn)小雨，9月13日晴，各天監(jiān)測時間和環(huán)境溫度見表2。

表2 2010年9月12日和9月13日環(huán)境溫度

4.2 試驗數(shù)據(jù)

對以上2 d采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到溫差與位移的關(guān)系如圖5、圖6所示。

圖5 9月12日溫差與位移

圖6 9月13日溫差與位移

4.3 試驗現(xiàn)象與結(jié)論

對本次觀測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)果。

(1)9月12日溫差較小，為1.2～1.4℃，翹曲變形為0～0.6 mm，基本上沒有離縫;9月13日溫差較大，為1.6～5.6℃，翹曲變形為0～1.3 mm，離縫較多。進(jìn)一步證明了前文中講述的“溫差越大，翹曲越大，離縫越多”的觀點。

(2)在軌道板1號點處，屬于鋼軌接頭部位。無接頭部位的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到此點，變形明顯大于其他點位。

(3)鋼軌的約束作用。9月12日溫差較小，軌道板的翹曲受到鋼軌的約束，離縫明顯減少;9月13日溫差較大，雖然軌道板的翹曲受到鋼軌的約束，但相對于溫差應(yīng)力，鋼軌約束作用較小，仍能產(chǎn)生較大的翹曲變形，離縫并未減少。

4.4 鋼軌鎖定后翹曲、離縫情況預(yù)測分析

經(jīng)過9月12日試驗，可對鋼軌約束情況下的軌道板翹曲進(jìn)行預(yù)測分析。鋼軌精調(diào)鎖定完后，鋼軌形成一個整體，可以認(rèn)為在軌道板上加了一個極大的荷載，單塊和數(shù)塊軌道板的溫差應(yīng)力變形是不會引起鋼軌發(fā)生位移的。由于受到長鋼軌的約束，軌道板四角翹曲變形的幅度會受到約束。假定長鋼軌約束力大于溫差應(yīng)力的情況下，將會因鎖定時間的不同而出現(xiàn)以下2種情況。

(1)在白天進(jìn)行鋼軌鎖定時，由于軌道板在白天四角處于下沉狀態(tài)，因此與未鎖定鋼軌、其他條件相同(主要是指溫差)相比較，白天的離縫將會基本不變。夜晚出現(xiàn)溫差應(yīng)力，四角翹曲，但受到鋼軌約束，翹曲位移減小，出現(xiàn)的離縫也會減少。

(2)在夜晚進(jìn)行鋼軌鎖定時軌道板處于上翹狀態(tài)，在白天受到溫差應(yīng)力出現(xiàn)下沉趨勢時受到鋼軌約束，位移減小，將不能復(fù)位到相同的狀態(tài)，即會出現(xiàn)相同條件下比白天更多的離縫。

若溫差較大，長鋼軌的約束力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軌道板溫差產(chǎn)生的應(yīng)力，翹曲變形雖然受到影響減小，但是離縫情況基本上不會受到改變，將在相同條件下產(chǎn)生相同數(shù)量的離縫。

5 翹曲、離縫試驗總結(jié)

經(jīng)過試驗得到的觀測結(jié)果，可基本得出主要是由于溫度的變化產(chǎn)生溫差，從而引起軌道板翹曲。當(dāng)軌道板翹曲位移大于1 mm，深度大于5 cm時將會產(chǎn)生離縫。軌道板的翹曲、離縫存在以下規(guī)律。

(1)在正溫差時，軌道板四角下沉，大小與軌道板溫差有關(guān)，溫差越大，下沉位移越大。此階段一般出現(xiàn)在白天，因此白天的離縫比晚上少。

(2)在負(fù)溫差時，軌道板四角翹曲，大小與軌道板溫差有關(guān)，溫差越大，上翹位移越大。此階段一般出現(xiàn)在晚上，軌道板出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，進(jìn)而引起離縫。

(3)溫度變化越快，溫差越大，變形也越大。隨著環(huán)境溫度、溫差的變化，軌道板翹曲大小也在跟著變化，是否離縫也隨之變化。在環(huán)境溫度升高階段，軌道板四角翹曲位移減小，離縫逐漸減少;在環(huán)境溫度降溫階段，軌道板四角翹曲位移增大，離縫逐漸增多。

(4)板中變形較小。在忽略板的自重情況下，在正溫差情況下板中將向上翹曲。但由于板的自重作用，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫差應(yīng)力引起的翹曲變形，所以板中不會發(fā)生翹曲;同時第一個承軌臺處的翹曲變形也較小。

(5)軌道板四角翹曲大小存在差異。一般情況下，軌道板四角翹曲差異不大，但是也在某些特定原因下產(chǎn)生不同大小的翹曲。此種情況會引起相鄰兩塊板的板端承軌臺高程誤差。

(6)鋼軌鎖定的時間對軌道板的翹曲的影響。鋼軌鎖定能夠約束軌道板的翹曲變形，進(jìn)而控制離縫的數(shù)量。在溫差較小的情況下，短鋼軌約束作用對翹曲、離縫的影響非常顯著;在溫差較大的情況下影響不明顯。

(7)在軌道板向上翹曲具有離縫時進(jìn)行鋼軌鎖定，若次日溫差較小，即使白天翹曲也不能復(fù)位，從而產(chǎn)生離縫。若次日溫差較大，軌道板四角仍能擺脫鋼軌約束而下沉，消除翹曲。

6 無砟軌道建議施工措施

經(jīng)過上文的分析，總結(jié)出了溫差引起的軌道板翹曲變形、離縫的規(guī)律，據(jù)此可以在施工中對溫差引起的問題采取針對措施，減少和避免由此帶來的質(zhì)量問題，保證列車運行的安全與舒適性。

6.1 軌道板生產(chǎn)裂紋控制

(1)軌道板生產(chǎn)時務(wù)必嚴(yán)格控制軌道板在蒸養(yǎng)過程中軌道板的升溫、降溫速度，注意不要使廠房內(nèi)溫度發(fā)生過大的波動，引起較大的溫差。

(2)在廠房外產(chǎn)生的溫差比廠房內(nèi)大得多，因此在廠房內(nèi)必須養(yǎng)護到一定強度后才能將軌道板運到室外場地存放，避免由于溫差帶來的軌道板裂紋。

6.2 軌道板鋪設(shè)減少離縫措施

(1)灌注后對灌注口進(jìn)行擠漿。此措施目的在于確保CA砂漿的飽滿度，避免CA砂漿水分流失而萎縮產(chǎn)生的離縫。

(2)保證CA砂漿的流動度。此措施是為了保證CA砂漿能夠流動到較遠(yuǎn)端，保證砂漿灌注飽滿，灌注完成后注意四角是否飽滿，避免砂漿質(zhì)量原因?qū)е碌碾x縫。

(3)宜在軌道板向上翹曲時(一般在夜晚)進(jìn)行CA砂漿灌注。軌道板向上翹曲時，CA砂漿將填滿由于翹曲產(chǎn)生的縫隙，在翹曲變形復(fù)位時將與CA砂漿緊密結(jié)合，減少離縫。

6.3 鋼軌鎖定精調(diào)后消除離縫影響的措施

(1)盡量利用白天進(jìn)行軌道精調(diào)、鎖定，有助于減少溫差引起的翹曲、離縫。

(2)在鋼軌鎖定精調(diào)后，對于承軌臺處的離縫必須消除。

由于相鄰2塊板端承軌臺本身可能存在的高程誤差，溫差也會引起軌道板翹曲，在相鄰承軌臺之間出現(xiàn)更大的高程差，引起板端被鋼軌吊起懸空，出現(xiàn)離縫。對于此種情況，可在軌道板出現(xiàn)正溫差產(chǎn)生大的向下變形時，利用塞入軌下調(diào)高墊板消除翹曲、離縫。

7 結(jié)語

通過對鋪設(shè)完成的軌道板在無鋼軌約束和短鋼軌約束的環(huán)境下進(jìn)行翹曲位移和離縫觀測試驗，總結(jié)了軌道板翹曲變形、離縫的規(guī)律，為控制無砟軌道板預(yù)制、鋪設(shè)提出了施工注意事項和建議施工措施。在試驗過程和數(shù)據(jù)分析中，由于條件所限并未就板的真實溫差大小與環(huán)境溫度之間的關(guān)系深入研究，希望在以后的研究中能夠?qū)壍腊迓N曲進(jìn)一步的研究，從而較好掌握“溫差－翹曲變形”規(guī)律。

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